Классификация опускных колодцев

Опускные колодцы получили значительное развитие в начале XX века на строительстве мостовых опор. Проводившееся в те годы интенсивное строительство железных, а позднее автомобильных дорог с многочисленными мостовыми переходами способствовало совершенствованию конструктивных решений и способов возведения опускных сооружений.

С развитием свайных оснований в мостостроении опускные колодцы в значительной степени были оттеснены, а накопленный опыт возведения отдельных фундаментов и подземных сооружений с помощью опускных колодцев нашел широкое применение во многих других областях строительства. Так, на строительстве объектов металлургических заводов и горно-обогатительных комбинатов (ГОК) применение опускных колодцев позволило решить размещение технологического оборудования в заглубленных помещениях.

В гражданском строительстве с помощью опускных колодцев возводят подвальные этажи высотных зданий, насосные станции, отстойники, емкости и др.

Наряду с имеющимися техническими решениями опускных колодцев продолжаются поиски более совершенных конструкций.

В отечественной практике имело место строительство нескольких крупных колодцев с массивными монолитными стенами для подземных частей корпусов дробления горно-обогатительных комбинатов и установок непрерывной разливки стали на металлургических заводах. Сооружением подобного типа является опускной колодец, применяемый на строительстве установки непрерывной разливки стали Новолипецкого металлургического завода общим весом 45 000 т.

Условия погружения опускных колодцев улучшают путем уменьшения сил трения стен колодца по грунту. Подмыв массивных колодцев позволяет снизить трение до 25%.

При покрытии эпоксидной смолой наружных поверхностей стен образуется хорошая скользящая поверхность. Силы трения снижаются на 25%. Эпоксидная обмазка одновременно является гидроизоляцией.

Колодец с покрытием стен эпоксидной смолой погружен на Коршуновском горно-обогатительном комбинате. Средняя скорость погружения — 0,78 м в день.

Колодцы, погружаемые в тиксотропной рубашке. Наиболее эффективным решением уменьшения сил трения при погружении опускных колодцев является применение тиксотропной рубашки (табл. 1), предложенной  Н. В. Озеровым.

Основное преимущество рассматриваемого способа погружения сооружений по сравнению с традиционными массивными опускными колодцами заключается в уменьшении собственного веса колодца в 2—3 раза и более, а также улучшении условий погружения. При этом сокращаются объемы работ, стоимость и сроки строительства.

Опускные колодцы в тиксотропной рубашке погружают по технологии, предложенной Научно-исследовательским институтом оснований и подземных сооружений.

Применение тиксотропной рубашки позволило решить тонкостенные колодцы в сборном железобетоне.

В промышленном строительстве для образования подземных производственных помещений применяют конструкции опускных колодцев институтов Приднепровского Промстройпроекта и Центрогипроруда (рис. 2). После монтажа элементов блоки в плане образуют правильные многоугольники.

По проектам института Приднепровского Промстройпроекта построено несколько десятков колодцев на металлургических заводах страны. Колодцы собираются из плоских железобетонных элементов на всю высоту сооружения. В больших колодцах вес сборного элемента достигает 45—50 т. Монтаж таких элементов производится мощными кранами.

По проектам Центрогипроруда построены колодцы на горно-обогатительных комбинатах Курской магнитной аномалии. Колодцы собираются из плоских двухпустотных блоков весом до 3—8 т с горизонтальным членением элементов.

На строительстве обогатительной фабрики Михайловского горно-обогатительного комбината (Курская обл.) в сложных гидрогеологических условиях сооружен уникальный колодец, который погружался в первоначальном котловане. Ножевая часть высотой 11,5 м выполнена в монолитном железобетоне с применением в качестве опалубки плит оболочек. Стены колодца сложены из четырех ярусов сборных двухпустотных блоков. Блоки следующего яруса монтировались после погружения ниже расположенного яруса.

Рис. 2. Опускной колодец корпуса дробления Михайловского ГОК:
1 — нож; 2 — блоки; 3 — пояс; 4 — стыки; 5 — тиксотропная рубашка; 6 — форшахта.

В 1965—71 гг. с тиксотропной рубашкой погружено более 70 опускных колодцев.

Колодцы, погружаемые вибраторами и домкратами. Погружение при помощи мощных вибраторов, тяжелых шпунтов и свай, имеющих небольшие размеры поперечных сечений, широко распространено в строительной практике. Опыт погружения свай-оболочек выявил возможность погружения вибраторами более крупных сооружений, таких как опускные колодцы. Впервые этот метод погружения был использован на колодцах с тиксотропной рубашкой, на которых вибраторы были установлены в качестве резервной динамической пригрузки. Колодцы по проекту Приднепровского Промстройпроекта имели внутренний диаметр 16, глубину 14,15 м, толщину 0,3 м. Колодцы погружались в суглинках и обводненных песках.

Вследствие выхода по разным причинам из работы тиксотропной рубашки и последовавшего зависания колодца дальнейшее опускание колодцев производилось при воздействии вибраторов. В этот период грунтовая стенка рубашки была большей частью обрушена и почти вся поверхность колодца обжималась грунтом, т. е. создавались условия, аналогичные погружению без рубашки.

На каждом опускном колодце устанавливалось по 2—4 низкочастотных вибратора марки ВП-3. Вибраторы размещались на равном расстоянии друг от друга, жестко крепились поверху стен при помощи болтов на стальных сварных седлах.

Вибраторы включались периодически на 2—5 мин. В это время происходила плавная посадка сооружения на глубину 0,2—0,5 м. Паузы между (включениями продолжительностью 5—8 ч использовались для разработки и уборки грунта. При нормальном режиме погружения вибраторы включались все одновременно. При больших кренах включался только один вибратор, установленный с возвышающейся стороны колодца.

Харьковским институтом ПромстройНИИпроект разработан проект опускного колодца-ствола для проходки коллекторных тоннелей, погружаемого вибраторами.

Сооружения имеют унифицированные габариты и в плане — форму правильного многоугольника. Глубина колодцев 7—25 м. Стены монтируются из плоских железобетонных панелей.

В зависимости от расчета на трение погружение колодцев обеспечивается: в легких грунтах только собственным весом; в более плотных грунтах — устройством тиксотропной рубашки или вибраторами; в наиболее сложных инженерно-геологических условиях применяются одновременно тиксотропные рубашки и вибраторы.

Погружение круглых колодцев высокочастотными вибраторами типа В-108 описано А. С. Ткаченко. Данный способ предусматривает возведение сборной или монолитной оболочки колодца на поверхности площадки и погружение ее в тиксотропной рубашке с одновременной выемкой грунта из забоя.

Для пригрузки колодцев применяют домкраты. На строительстве Московского метрополитена опускной колодец диаметром ствола 5,6 и высотой 20 м со стенами из чугунных тюбингов погружался в тиксотропной рубашке с пригрузкой гидравлическими домкратами. Домкраты грузоподъемностью по 35 т (ход поршня 1150 мм) крепились к металлической раме, заделанной в монолитный железобетонный воротник. Колодец задавливался в супеси и суглинки. Разработка грунта производилась одноковшовым грейфером от комплекта «Темп-1». Скорость погружения составляла 1 м в смену.

Автором предложено погружение опускного колодца производить последовательным задавливанием в грунт домкратами отдельных ярусов стен. Возведение колодца начинается разработкой котлована глубиной 1—1,5 м, монтажа в нем яруса стеновых панелей и бетонированием опорного кольца.

Установку панелей для последующего яруса производят в опережающей траншее, которую откапывают по периметру котлована по мере установки панелей. Стеновые панели при помощи траверсы с противовесом монтируют краном изнутри колодца. При этом ранее установленный ярус является кондуктором для навески панелей нижнего яруса. Стыки панелей завариваются изнутри колодца и заливаются сверху быстротвердеющим раствором.

Задавливание яруса стены в грунт выполняется домкратами по секциям по мере разработки и углубления котлована. Вначале в грунт вдавливают секцию с ножевым выступом, затем доборные секции. После погружения полость между панелями и грунтом тампонируется.

Колодцы, заглубляемые подращиванием (табл. 2). В скальных, мерзлых и твердых глинистых грунтах цилиндрические котлованы колодцев разрабатывают с вертикальным откосом, укрепляя его по мере заглубления подвешиваемой снизу обделкой из монолитного или сборного железобетона. Пространство между обделкой из тюбингов и откосом тампонируется бетоном или цементным раствором. Обделка образует жесткую цилиндрическую оболочку, в которой днище и перекрытия являются диафрагмами, при этом выгодно используется совместная работа с грунтовым массивом (рис. 8).

Колодцы конструкции «стена в грунте». Для строительства подземных помещений применяют метод «стена в грунте», по которому сначала возводят в траншеях наружные стены, а затем удаляют грунт из внутренней полости. При этом основания стен заглубляют в водоупорный горизонт, что обеспечивает гидроизоляцию котлована от грунтовых вод и исключает необходимость водопонижения и устройства водонепроницаемого днища. Способ применим и в сложных гидрогеологических условиях.

Рис. 3. Колодец корпуса дробления Коршуновского железорудного комбината.

Грунт в траншее разрабатывают под слоем бентонитовой суспензии плоским грейфером, подвешенным на жесткой штанге. Применяют грейферы с увеличенным собственным весом до 4-6 т          при   объеме 0,5-0,7 м3 и штангой длиной 20—30 м, весом 9—11 т. Давление на грунт такого грейфера доходит до 20 т при силе сжатия челюстей гидравлическими домкратами до 30 т. Заглубление траншеи в скалу производят ударными буровыми станками. Траншеи разрабатывают отсеками длиной 6—12 м.

Устойчивость вертикальных откосов траншеи обеспечивается гидростатическим давлением заливаемой в нее суспензии. Последняя имеет состав, подобный тпкеотропной рубашке опускных колодцев. В готовую траншею погружают пространственный арматурный блок, который изготовляют из круглой или жесткой арматуры. Блок имеет габариты отсека. Бетонирование стен производят захватками под глинистым раствором способом ВПТ. Бетон применяют марки 300. При большом объеме работ используют бетононасосы. Более тяжелая бетонная смесь вытесняет глинистый раствор на поверхность. В качестве ограничителей захваток используют инвентарные стальные трубы. Относительно к ширине грейфера стены изготовляют толщиной 60—90 см. Их прочность и устойчивость обеспечивается поперечными диафрагмами перекрытий, анкерами или круглой формой сооружения в плане. Стены в основном сооружают двумя способами.

Первый способ (рис. 4, а) применяется при высоте этажей до 2,5 м. После изготовления стен поэтажно отрывают грунт и устраивают перекрытия. При этом стена имеет расчетный пролет, равный высоте этажа. Перекрытия бетонируют на опалубке, уложенной непосредственно на грунт. В широких сооружениях делают временные распорки, поддерживаемые стойками, забуренными в грунт (рис. 4, б).

При изготовлении стен по второму способу (рис. 4, в) оставляют отверстия для анкеров, а также устраивают опоры наголовников и домкратов. По мере разработки котлована устанавливают наклонные анкеры, заделывая их в скальные, глинистые и песчаные грунты (за исключением мягкопластичных). Для бурения скважин применяют любые буровые станки, работающие под углом до 30° к горизонту. В нескальных грунтах принимают диаметр скважины, равный 300—400 мм, и разбуривают на конус ее конец до ширины порядка 2—3 диаметров. Длина анкера достигает 10—40 м и определяется из условия заделки на 4—9 м за плоскость обрушения. В скважину погружают анкерную тягу из прядей, свитых из высокопрочной проволоки, инъектируют раствор или бетон и после их твердения производят натяжение арматуры. Несущая способность одного анкера составляет 30—300 т.

 Рис. 4. Сооружения «стена в грунте» (1):
а, б — с диафрагмами перекрытий; в — с анкерами; 2—4 — покрытие днища перекрытия; 5 — водоупорный грунт; 6 — временная распорка; 7 — забуренные стойки; 8— анкеры.

В круглых сооружениях прочность тонких наружных стен может быть обеспечена благоприятными условиями их пространственной работы — не требуется устройства промежуточных диафрагм или анкеров. Такие конструкции построены в Московской области: в Загорске (Д = 18, Н = 10, =0,6 м), Мытищах (Д = 10, Н = 10,  = 0,6 м) и других городах.